Научен експеримент от немски учени, наречен GEO600 за търсене на гравитационни вълни, който продължава от седем години, доведе до неочаквани резултати, според списанието New Scientist.
С помощта на специално устройство - интерферометър - физиците щяха научно да потвърдят един от изводите на теорията на относителността на Айнщайн.
Според тази теория във Вселената съществуват така наречените гравитационни вълни - смущения на гравитационното поле, „пулсации“на тъканта на пространството-време.
Разпространяващи се със скоростта на светлината, гравитационните вълни вероятно предполагат генериране на неравномерни движения на големи астрономически обекти: образуване или сблъскване на черни дупки, експлозии на свръхнови и др.
Науката обяснява незабележимостта на гравитационните вълни с факта, че гравитационните ефекти са по-слаби от електромагнитните. Учените, които започнаха експеримента си още през 2002 г., очакваха да открият тези гравитационни вълни, които по-късно могат да се превърнат в източник на ценна информация за така наречената тъмна материя, от която в основата ни се състои нашата Вселена.
Досега GEO600 не успя да открие гравитационни вълни, но очевидно учените с помощта на устройството успяха да направят най-голямото откритие в областта на физиката през последния половин век.
В продължение на много месеци експертите не можеха да обяснят естеството на странните шумове, които пречат на работата на интерферометъра, докато изведнъж не му беше предложено обяснение от физик от научната лаборатория във Фермилаб.
Според хипотезата на Крейг Хоган апаратът GEO600 се сблъска с основната граница на пространствено-времевия континуум - точката, в която пространството-времето престава да бъде непрекъснат континуум, описан от Айнщайн, и се разпада на „зърна“, сякаш снимка, увеличена няколко пъти, се превръща в струпване на отделни точки …
Промоционално видео:
„Изглежда GEO600 се натъкна на микроскопични квантови колебания в космическото време“, предложи Хоган.
Ако тази информация не ви се струва достатъчно сензационна, слушайте допълнително: "Ако GEO600 се спъне в това, което предполагам, това означава, че живеем в гигантска космическа холограма."
Самата идея, че живеем в холограма, може да изглежда смешна и абсурдна, но това е просто логично продължение на нашето разбиране за същността на черните дупки, основаващо се на напълно доказуема теоретична основа.
Колкото и да е странно, „теорията на холограмата“би помогнала значително на физиците да обяснят окончателно как работи Вселената на фундаментално ниво.
Холограмите, познати ни (като например на кредитните карти), се прилагат върху двуизмерна повърхност, която започва да се появява триизмерна, когато лъч светлина я удари под определен ъгъл.
През 90-те години лауреатът на Нобеловата награда за физика Джерард Хуфт от Утрехтския университет (Холандия) и Леонард Сускинд от Станфордския университет (САЩ) предполагат, че подобен принцип може да се приложи и във вселената като цяло. Самото наше ежедневие може да бъде холографска проекция на физически процеси, протичащи в двуизмерно пространство.
Много е трудно да се повярва в „холографския принцип“на структурата на Вселената: трудно е да си представим, че се събуждаш, миеш зъби, четеш вестници или гледаш телевизия, само защото някъде по краищата на Вселената няколко гигантски космически обекта се сблъскват един с друг.
Все още никой не знае какво за нас ще означава „живот в холограма“, но теоретичните физици имат много причини да вярват, че някои аспекти на холографските принципи на функционирането на Вселената са реалност.
Заключенията на учените се основават на фундаментално проучване на свойствата на черните дупки, проведено от известния теоретичен физик Стивън Хокинг заедно с Роджър Пенроуз.
В средата на 70-те години ученият изучава основните закони, които управляват Вселената и показва, че от теорията на относителността на Айнщайн следва пространство-време, което започва в Големия взрив и завършва в черни дупки.
Тези резултати сочат необходимостта от комбиниране на изследването на теорията на относителността с квантовата теория. Едно от последствията от тази комбинация е твърдението, че черните дупки всъщност не са изцяло „черни“: всъщност те излъчват радиация, което води до постепенното им изпаряване и пълно изчезване.
Така възниква парадокс, наречен „информационен парадокс на черните дупки“: образуваната черна дупка губи своята маса, излъчваща енергия. Когато една черна дупка изчезне, цялата информация, която е абсорбирала, се губи. Въпреки това, според законите на квантовата физика, информацията не може да бъде напълно загубена.
Контрааргументът на Хокинг: интензивността на гравитационните полета на черните дупки е неразбираема, засега съответства на законите на квантовата физика. Колегата на Хокинг, физикът Бекенщайн, изложи важна хипотеза, която спомага за разрешаването на този парадокс.
Той предположи, че черната дупка има ентропия, пропорционална на повърхността на нейния условен радиус. Това е един вид теоретична област, която маскира черната дупка и маркира точката на връщане на материя или светлина. Теоретичните физици са доказали, че микроскопичните квантови колебания на условния радиус на черна дупка могат да кодират информация вътре в черна дупка, така че няма загуба на информация в черна дупка в момента на нейното изпаряване и изчезване.
По този начин може да се предположи, че триизмерната информация за оригиналното вещество може да бъде изцяло кодирана в двуизмерния радиус на черната дупка, образувана след смъртта му, приблизително като триизмерно изображение на обект е кодирано с помощта на двуизмерна холограма.
Зускинд и Хуфт отидоха още по-далеч, прилагайки тази теория към структурата на Вселената, основавайки се на факта, че пространството има и условен радиус - гранична равнина, отвъд която светлината все още не е успяла да проникне през 13,7 милиарда години от съществуването на Вселената.
Нещо повече, Хуан Малдасена, теоретичен физик от Принстънския университет, успя да докаже, че същите физически закони ще действат в хипотетична петизмерна вселена, както в четириизмерното пространство.
Според теорията на Хоган, холографският принцип за съществуването на Вселената коренно променя познатата ни картина на пространство-време. Дълго време теоретичните физици вярвали, че квантовите ефекти могат да предизвикат хаотично пулсиране на космическото време в силна скала.
На това ниво на пулсация тъканта на пространствено-времевия континуум става "зърнеста" и сякаш е направена от най-малките частици, подобни на пикселите, само стотици милиарди пъти по-малки от протона. Тази мярка за дължина е известна като "дължина на Планк" и представлява фигурата от 10-35 m.
Понастоящем основните физически закони са тествани емпирично до разстояния от 10-17 и дължината на Планк се счита за недостижима, докато Хоган разбра, че холографският принцип променя всичко.
Ако пространствено-времевият континуум е зърнеста холограма, тогава Вселената може да бъде представена като сфера, външната повърхност на която е покрита с най-малките повърхности с дължина 10-35 m, всяка от които носи информация.
Холографският принцип гласи, че количеството информация, обхващаща външната част на сферата-Вселената, трябва да съответства на броя на битовете информация, съдържащи се в по-голямата част от Вселената.
Тъй като обемът на сферичната вселена е много по-голям от цялата й външна повърхност, възниква въпросът, как е възможно да се спазва този принцип? Хоган предположи, че битовете информация, които съставляват „вътрешността“на Вселената, трябва да са по-големи от дължината на Планк. „С други думи, холографската вселена е като размита картина“, казва Хоган.
За тези, които търсят най-малките частици от пространство-време, това е добра новина. „Противно на популярните очаквания, микроскопичната квантова структура е лесно достъпна за изследване“, казва Хоган.
Докато частици с размери, равни на дължината на Планк, не могат да бъдат открити, холографската проекция на тези „зърна“е приблизително 10-16 м. Когато ученият направи всички тези заключения, той се запита дали е възможно да се определи експериментално това холографско замъгляване на пространството. време. И тогава GEO600 се притече на помощ.
Устройства като GEO600, които са способни да откриват гравитационни вълни, работят на следния принцип: ако гравитационна вълна преминава през нея, тя ще разтегне пространството в едната посока и ще я компресира в другата.
За да измерват формата на вълната, учените насочват лазерен лъч през специално огледало, наречено сплитер на лъч. Разделя лазерния лъч на два лъча, които преминават през 600-метровите перпендикулярни пръти и се връщат обратно.
Лъчите, които се връщат обратно, се комбинират отново в едно и създават интерферентен модел на светли и тъмни зони, където светлинните вълни или изчезват, или се подсилват взаимно. Всяка промяна в позицията на тези секции показва, че относителната дължина на баровете се е променила. Промени в дължината, по-малка от диаметъра на протона, могат да бъдат открити експериментално.
Ако GEO600 наистина открие холографски шум от квантови трептения на пространството и времето, това би бил двойно остър меч за изследователите: от една страна, шумът ще попречи на опитите им да „улавят“гравитационните вълни.
От друга страна, това може да означава, че изследователите са успели да направят много по-фундаментално откритие, отколкото първоначално се смяташе. Съществува обаче известна ирония на съдбата: устройството, създадено с цел да улавя вълните, които са следствие от взаимодействието на най-големите астрономически обекти, намери нещо толкова микроскопично, колкото „зърната” на пространството-времето.
Колкото по-дълго учените не могат да разгадаят мистерията на холографския шум, толкова по-остър става въпросът за провеждането на допълнителни изследвания в тази посока. Една от възможностите за изследване може да бъде проектирането на така наречения атомен интерферометър, чийто принцип на работа е подобен на този на GEO600, но вместо лазерен лъч ще се използва нискотемпературен поток от атоми.
Какво ще означава откриването на холографски шум за човечеството? Хоган е уверен, че човечеството е на една крачка от откриването на квант от време. „Това е най-малкият възможен интервал от време: дължината на Планк, разделена на скоростта на светлината“, казва ученият.
Въпреки това, най-вече възможното откритие ще помогне на изследователите, които се опитват да комбинират квантова механика и теорията на Айнщайн за гравитацията. Най-популярната в научния свят е теорията на струните, която, според учените, ще помогне да се опише всичко, което се случва във Вселената на фундаментално ниво.
Хоган се съгласява, че ако се докажат холографските принципи, тогава няма да се разглежда никакъв подход за изследване на квантовата гравитация извън контекста на холографските принципи. Напротив, това ще бъде тласъкът за доказателства на теорията на струните и теорията на матриците.
„Може би имаме първите доказателства за това как пространството-времето следва от квантовата теория в нашите ръце“, отбеляза ученият.